อิเล็กทรอนิกส์กำลังและพลังงานใหม่

ด้วยการปรับปรุงโครงสร้างพลังงานทั่วโลกอย่างต่อเนื่อง และความก้าวหน้าของเทคโนโลยีพลังงานหมุนเวียน อิเล็กทรอนิกส์กำลังมีบทบาทที่เด่นชัดมากขึ้นเรื่อย ๆ ภายในระบบพลังงานใหม่ จาก เครื่องแปลงกระแสไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ไปจนถึงระบบผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลม และขยายไปยัง ระบบกักเก็บพลังงานและยานพาหนะพลังงานใหม่ , อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังมีการใช้งานอย่างแพร่หลายเกือบทุกที่ อย่างไรก็ตาม ความต้องการด้านความหนาแน่นของพลังงานสูง ประสิทธิภาพสูง และอายุการใช้งานที่ยืดยาว ส่งผลให้อุปกรณ์เหล่านี้สร้างความร้อนออกมาเป็นจำนวนมากในระหว่างการทำงาน หากความร้อนนี้ไม่ได้รับการจัดการอย่างมีประสิทธิภาพ จะไม่เพียงแต่ลดประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลงเท่านั้น แต่ยังส่งผลกระทบอย่างรุนแรงต่อความน่าเชื่อถือและความทนทานของระบบอีกด้วย ดังนั้น การออกแบบและการประยุกต์ใช้ฮีตซิงก์ในฐานะองค์ประกอบหลักของการจัดการความร้อนในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการพัฒนาอุตสาหกรรมพลังงานใหม่

อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง เช่น IGBTs, MOSFETs และไดโอดกำลัง สร้างความร้อนจำนวนมากภายใต้สภาวะการทำงานที่มีความถี่สูงและกำลังไฟฟ้าสูง การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานจากการสลับสถานะมากขึ้น ความต้านทานในการนำไฟฟ้าสูงขึ้น วัสดุเซมิคอนดักเตอร์เสื่อมสภาพเร็วขึ้น และอาจทำให้เกิดภาวะความร้อนล้น (thermal runaway) ได้ ดังนั้น ฮีทซิงก์ในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลังจึงไม่ใช่เพียงเครื่องมือระบายความร้อนแบบพาสซีฟ แต่เป็นส่วนประกอบสำคัญที่ช่วยให้ระบบมีความเสถียร อายุการใช้งานยาวนานขึ้น และประสิทธิภาพที่ดีขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันพลังงานใหม่ ซึ่งอุปกรณ์กำลังมักทำงานต่อเนื่องภายใต้อุณหภูมิแวดล้อมที่เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา สมรรถนะของฮีทซิงก์จึงมีผลโดยตรงต่อการดำเนินงานของระบบอย่างเชื่อถือได้

• อินเวอร์เตอร์โฟโตโวลเทอิก

อินเวอร์เตอร์โฟโตโวลเทกเป็นหัวใจหลักของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ ทำหน้าที่แปลงกระแสไฟฟ้าตรงให้เป็นกระแสไฟฟ้าสลับ อุปกรณ์กำลังภายในอินเวอร์เตอร์จะสร้างความร้อนระหว่างการทำงานที่มีการสลับสถานะด้วยความถี่สูง การจัดการความร้อนที่ไม่เพียงพออาจทำให้อินเวอร์เตอร์มีประสิทธิภาพลดลง หรือแม้แต่เกิดการหยุดทำงาน โครงสร้างฮีตซิงก์ที่ใช้โดยทั่วไป ได้แก่ ฮีตซิงก์อลูมิเนียมแบบอัดขึ้นรูป และแผ่นระบายความร้อนแบบทำเย็นด้วยของเหลว ฮีตซิงก์อลูมิเนียมแบบอัดขึ้นรูปช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายความร้อนผ่านโครงสร้างครีบที่ออกแบบมาอย่างเหมาะสม ทำให้สามารถระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนตามธรรมชาติหรือด้วยพัดลมเป่าอากาศ ในทางกลับกัน แผ่นระบายความร้อนแบบทำเย็นด้วยของเหลวใช้ของเหลวที่ไหลเวียนเพื่อนำความร้อนออกไป ทำให้เหมาะสำหรับอินเวอร์เตอร์โฟโตโวลเทกที่มีความหนาแน่นของกำลังไฟฟ้าสูง หรือใช้งานในสภาพแวดล้อมที่ปิด

• สถานีชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า

สถานีชาร์จสร้างความร้อนจำนวนมากในระหว่างการถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ โดยสมรรถนะของฮีทซิงก์มีผลโดยตรงต่อความน่าเชื่อถือ ความปลอดภัย และอายุการใช้งาน การทำงานของโมดูลพลังงานหลัก (เช่น IGBTs หรือ SiC MOSFETs) จะสูญเสียพลังงานในระดับสูงเมื่อมีการแปลงกระแสไฟฟ้าจากกริด AC เป็น DC ที่แบตเตอรี่ต้องการ ทำให้พลังงานนี้ถูกปล่อยออกมาในรูปของความร้อน หากไม่สามารถระบายความร้อนนี้ออกไปได้อย่างทันท่วงที ชิ้นส่วนหลักจะเกิดความร้อนสูงเกินไป ส่งผลให้ประสิทธิภาพลดลง สมรรถนะตกต่ำ หรืออาจเกิดความเสียหายถาวรได้ ระบบจัดการความร้อนที่มีประสิทธิภาพจึงเป็นสิ่งสำคัญยิ่งเพื่อให้มั่นใจว่าสถานีชาร์จสามารถทำงานได้อย่างมั่นคงภายใต้สภาวะอุณหภูมิสูงและภาระงานหนัก และสามารถรักษาระดับกำลังไฟฟ้าตามค่าที่กำหนดไว้ (เช่น 120kW, 360kW หรือสูงกว่า) ซึ่งมีผลโดยตรงต่อความปลอดภัยในการชาร์จและประสบการณ์การใช้งานของผู้ใช้

ปัจจุบัน การจัดการความร้อนในสถานีชาร์จใช้แนวทางทางเทคนิคหลักสองแบบ ได้แก่ การระบายความร้อนด้วยอากาศและการระบายความร้อนด้วยของเหลว :

1. เครื่องระบายความร้อนด้วยพัดลมบังคับ: นี่เป็นวิธีแก้ปัญหาทั่วไปสำหรับสถานีชาร์จยุคแรกและสถานีชาร์จกำลังไฟปานกลางถึงต่ำ หลักการทำงานคือการเพิ่มพื้นที่สัมผัสระหว่างชิ้นส่วนไฟฟ้ากับอากาศผ่านแผงระบายความร้อน จากนั้นใช้พัดลมเพื่อสร้างการแลกเปลี่ยนความร้อนแบบพาความร้อนบังคับ วิธีนี้มีโครงสร้างเรียบง่ายและต้นทุนต่ำ แต่มีข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพในการระบายความร้อน เสียงรบกวนจากพัดลมค่อนข้างมาก และเสี่ยงต่อการสะสมของฝุ่นในสภาพแวดล้อม ทำให้ยากต่อการตอบสนองความต้องการของการพัฒนาในด้านความหนาแน่นของกำลังไฟที่สูงขึ้น

2. ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลว: สำหรับเครื่องชาร์จเร็วที่มีกำลังสูง (โดยทั่วไปตั้งแต่ 150 กิโลวัตต์ขึ้นไป) การระบายความร้อนด้วยของเหลวได้กลายเป็นแนวทางหลัก โดยระบบจะใช้แผ่นระบายความร้อนด้วยของเหลวที่สัมผัสกับชิ้นส่วนที่เกิดความร้อนอย่างแน่นหนา หลังจากดูดซับความร้อนแล้ว สารหล่อเย็นจะนำพาความร้อนไปยังเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบของเหลว-ของเหลว หรือของเหลว-อากาศ (หม้อน้ำหลัก) เพื่อปล่อยความร้อนออก ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวมีประสิทธิภาพสูงกว่าการระบายความร้อนด้วยอากาศอย่างมาก มีขนาดกะทัดรัด เสนอการป้องกันแบบปิดให้กับชิ้นส่วนภายในสำคัญ และลดเสียงรบกวนได้อย่างมาก ปัจจุบันเครื่องชาร์จความเร็วสูงพิเศษยังขยายการใช้ระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวไปยังสายเคเบิลหัวชาร์จ เพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยและน้ำหนักเบาภายใต้กระแสไฟฟ้าสูง

การพัฒนาอย่างรวดเร็วของอิเล็กทรอนิกส์กำลังและระบบพลังงานใหม่ ทำให้มีความต้องการด้านประสิทธิภาพที่สูงขึ้นสำหรับฮีทซิงก์ ผ่านการออกแบบที่เหมาะสม การเลือกวัสดุอย่างรอบคอบ และการควบคุมอัจฉริยะ ฮีทซิงก์ไม่เพียงแต่ช่วยแก้ปัญหาการจัดการความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ ยืดอายุการใช้งานของชิ้นส่วนต่างๆ และส่งเสริมการพัฒนาอย่างยั่งยืนของเทคโนโลยีพลังงานใหม่ มองไปข้างหน้า ด้วยความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องในด้านวิทยาศาสตร์วัสดุและการจัดการความร้อน ฮีทซิงก์จะกลายเป็นองค์ประกอบหลักที่ขาดไม่ได้ในอุตสาหกรรมพลังงานใหม่ โดยให้การสนับสนุนทางเทคนิคที่มั่นคงในการบรรลุเป้าหมายการเปลี่ยนผ่านสู่พลังงานสีเขียว